PHOTOCONTROLLED RELEASE OF NICOTINE FROM RU(BPY)2NIC2 AND ITS EFFECT ON RAT TRACHEAL SMOOTH MUSCLE CONTRACTION

DOI: https://doi.org/10.17721/1728.2748.2025.102.34-40

Authors

Keywords:

caged compounds, Ru(bpy)2Nic2 complexes, nicotine, tracheal smooth muscle, tensometric measurements

Abstract

Background. Ru(bpy)₂Nic₂, a bipyridine ruthenium complex, is a light-sensitive compound capable of releasing nicotine upon irradiation with visible light (420–470 nm). Given its high quantum yield (φs = 0.23), it offers precise control over nicotine release, making it a valuable tool for investigating nicotinic acetylcholine receptor (nAChR) activation in biomedical research.
Methods. High-performance liquid chromatography (HPLC) and tensometric analysis of rat tracheal smooth muscle contractions were used in this study.
Results. Experimental findings demonstrated that Ru(bpy)₂Nic₂ induces a phasic-tonic contraction pattern in rat tracheal smooth muscle. The phasic phase is initiated by nicotine, while photolysis by-products activate P2X and P2Y purinergic receptors and stimulate prostaglandin release from the tracheal epithelium, thereby contributing to the sustained tonic component of contraction.
Conclusions. Overall, Ru(bpy)₂Nic₂ provides an efficient and controllable nicotine source for biomedical research, with high photolysis efficiency and the ability to generate biologically relevant nicotine concentrations using accessible light sources.

Author Biography

  • Danylo KRAVCHUK, Taras Bogomoletz Institute of Physiology, NAS of Ukraine, Kyiv, Ukraine

    На 3–4 курсах навчання у Фізико-технічному інституті КПІ ім. Ігоря Сікорського я вивчав властивості та функції нейронів верхнього шийного ганглію на базі відділу фізіології нейронних мереж Інституту фізіології ім. О.О. Богомольця.

    Під час навчання в магістратурі Київського академічного університету, на базі лабораторії відділу нервово-м’язової фізіології Інституту фізіології ім. О.О. Богомольця, я займався розробкою комплексу для дистанційного вивільнення фармакологічних агентів із їх фоточутливих неактивних форм під дією рентгенівського опромінення. Як модель використовували наночастинки LaF₃:Tb³⁺, що переопромінюють рентгенівське випромінювання у видиме світло, яке, своєю чергою, індукує фотовивільнення нікотину з RuBi-нікотину та активацію нікотинових ацетилхолінових рецепторів (nAChR) у клітинах A549 і PC-12. Розробка подібної методології є перспективною для неінвазивного таргетного фармакологічного втручання.

    Під час аспірантури в Інституті фізіології ім. О.О. Богомольця у відділі нервово-м’язової фізіології я продовжував вдосконалення цієї методології, зокрема із застосуванням тесту на проліферацію клітин і методу patch-clamp.

    Наразі я досі займаюсь цією тематикою

References

Borkar, N. A., Roos, B., Prakash, Y. S., Sathish, V., & Pabelick, C. M. (2021). Nicotinic α7 acetylcholine receptor (α7nAChR) in human airway smooth muscle. Archives of Biochemistry and Biophysics, 706. https://doi.org/10.1016/j.abb.2021.108897

Bucheimer, R. E., & Linden, J. (2004). Purinergic regulation of epithelial transport. In Journal of Physiology (Vol. 555, Issue 2, pp. 311–321). https://doi.org/10.1113/jphysiol.2003.056697

Ellis-Davies, & Graham, C. R. (2007). Caged compounds: Photorelease technology for control of cellular chemistry and physiology. Nature Methods, 4(8), 619–628. https://doi.org/10.1038/nmeth1072

Filevich, O., Salierno, M., & Etchenique, R. (2010). A caged nicotine with nanosecond range kinetics and visible light sensitivity. Journal of Inorganic Biochemistry, 104(12), 1248–1251. https://doi.org/10.1016/j.jinorgbio.2010.08.003

Khalfaoui, L., Mukhtasimova, N., Kelley, B., Wells, N., Teske, J. J., Roos, B. B., Borkar, N. A., Zhang, E. Y., Sine, S. M., Prakash, Y. S., & Pabelick, C. M. (2023). Functional a7 nicotinic receptors in human airway smooth muscle increase intracellular calcium concentration and contractility in asthmatics. American Journal of Physiology - Lung Cellular and Molecular Physiology, 325(1), L17–L29. https://doi.org/10.1152/ajplung.00260.2022

Kravchuk, D. I., Sotkis, G. V., Shcherbatiuk, M. M., Kravchuk, R. M., Nazarenko, V. G., Gorbyk, P. P., & Shuba, Y. M. (2023). Induction of A549 Nonsmall-Cell Lung Cancer Cells Proliferation by Photoreleased Nicotine. Photochemistry and Photobiology, 99(1), 78–82. https://doi.org/10.1111/php.13652

Meade, E. A., Smith, W. L., & DeWitt, D. L. (1993). Differential inhibition of prostaglandin endoperoxide synthase (cyclooxygenase) isozymes by aspirin and other non-steroidal anti-inflammatory drugs. Journal of Biological Chemistry, 268(9), 6610–6614. https://doi.org/10.1016/s0021-9258(18)53294-4

Satchell, D. (1984). Purine receptors: classification and properties. Trends in Pharmacological Sciences, 5, 340–343. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/0165-6147(84)90464-4

Tambwekar, K. R., Kakariya, R. B., & Garg, S. (2003). A validated high performance liquid chromatographic method for analysis of nicotine in pure form and from formulations. Journal of Pharmaceutical and Biomedical Analysis, 32(3), 441–450. https://doi.org/10.1016/S0731-7085(03)00236-X

Xu, Y., & Cardell, L. O. (2014). Nicotine impairs cyclooxygenase-2-dependent kinin-receptor-mediated murine airway relaxations. Toxicology and Applied Pharmacology, 275(1), 12–21. https://doi.org/10.1016/j.taap.2013.12.013

Zayat, L., Filevich, O., Baraldo, L. M., & Etchenique, R. (2013). Ruthenium polypyridyl phototriggers: From beginnings to perspectives. In Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences (Vol. 371, Issue 1995). Royal Society. https://doi.org/10.1098/rsta.2012.0330

Downloads

Published

2025-10-09

Issue

Vol. 102 No. 3 (2025): Bulletin of Taras Shevchenko National University of Kyiv. Biology

Section

Articles